“El
agua bombea al agua. Una forma de subir agua sin factores externos”
Por:
Bautista Mondragón Cristian Alejandro.
León Martínez Sharon.
Sánchez Rodríguez Omar Adán.
¿Cómo bombear agua de una fuente de
origen a un destino? Es la cuestión con la que comenzamos a trabajar, en busca
de una respuesta.
MARCO
TEÓRICO:
Energía suficiente y una
infraestructura óptima son las condiciones básicas para una economía en
crecimiento. Las energías fósiles han sido consideradas como el agente de
energía comercial por un muy largo tiempo. Estas energías no son renovables y van
a escasear tarde o temprano y además son la causa de enormes daños al medioambiente.
La búsqueda de nuevas fuentes de energía recién ha comenzado, no es una tarea
fácil, pero es un deber que debemos cumplir todos los involucrados en el manejo
de energías, el desarrollo del Ariete Hidráulico, puede ser a una pequeña contribución
para un desarrollo sustentable del medio ambiente y una muy buena alternativa
que brinda al usuario un desarrollo socio – económico, por lo que cualquier
avance tecnológico en esta máquina es de mucha ayuda.
En este primer capítulo se
desarrollará la base teórica para el cálculo del ariete hidráulico, se revisara
la teoría referida al golpe de ariete desarrollada por el ruso N.E. Zhukovsky,
los períodos del ciclo de bombeo del Ariete Hidráulico Multimpulsor, la
celeridad, altura desarrollada por el ariete, tiempo de cierre de las válvulas
de impulsión, solo por nombrar unos cuantos conceptos. Toda esta teoría es fundamental
para el desarrollo del prototipo y de la instalación, así como para comprobar
los datos teóricos de la eficiencia y rendimiento con los datos obtenidos en la
experimentación.
El golpe de ariete o también
conocido golpe hidráulico fue descrito por primera vez en el año 1889 por N. J.
Zhukovsky, un eminente científico ruso. Zhukovsky nos dice que el golpe de
ariete es la variación de la presión en los conductos de agua, provocada por el
aumento o la disminución brusca de la velocidad de movimiento del líquido, esta
variación puede ser ocasionada por el cierre o abertura de una llave,4 grifo o
válvula; también puede producirse por la puesta en marcha o detención de un motor
o bomba hidráulica.
N.E. Zhukovsky no solo dio
la descripción matemática del golpe hidráulico en conductos de agua, sino que señalo
los métodos de su liquidación o disminución considerable. Estas medidas
realmente son muy simples.
Hace falta eliminar las
causas que provocan la aparición del golpe hidráulico, es decir, no permitir
una variación rápida de la velocidad de movimiento del agua en las tuberías, o
sea no se puede abrir o cerrar rápidamente las válvulas. En la mayoría de los
casos es posible hacer esto. Por lo que se empezaron a desarrollar y utilizar
tipos de llaves en vez de grifos de tapón. Con ayuda de las llaves el flujo de
líquido en las tuberías se detiene con relativa lentitud. Como conclusión
podemos decir que el método más eficiente de reducir el golpe de ariete es el
cierre lento de la llave.
Sin embargo, en una serie de
casos es imposible realizarlo. En el caso de las turbinas hidráulicas, es
imprescindible cerrar rápidamente su dispositivo guía y cortar el suministro de
agua a la turbina. De lo contrario, la frecuencia de rotación de la turbina
aumenta bruscamente, lo que puede conducir a su deterioro. Pero por otro lado
tenemos que el cierre rápido del dispositivo guía provocará inevitablemente el golpe
hidráulico.
En los conductos de agua de
las centrales hidroeléctricas, con el fin de reducir el golpe hidráulico, al
cerrar repentinamente el dispositivo guía de la turbina, se construyen unos
depósitos cilíndricos altos abiertos o tanque de compensación, cuyas cavidades
se comunican con los conductos de agua a través de los orificios de los diafragmas
de separación. Al surgir el golpe hidráulico, el agua del conducto se dirige a
través del orificio en el diafragma a la cavidad del tanque amortiguando así la
fuerza del golpe hidráulico.
Las oscilaciones del nivel
de agua en el tanque se amortiguarán con el tiempo, así como las oscilaciones
de la presión en el propio conducto de agua. En los sistemas de suministro de
agua menos profundo se utilizan otros medios contra el golpe hidráulico. En los
conductos de agua, para prevenir el dicho efecto, se instalan válvulas
especialmente diseñadas que se abren sólo cuando sucede el aumento de la presión.
En vez de válvulas de seguridad de alto precio se ponen a veces diafragmas de
seguridad, cuyo espesor es suficiente para aguantar las presiones normales, al surgir
el golpe hidráulico, tal diafragma se rompe, una parte del agua se vierte de la
tubería de presión, pero el propio conducto de agua en este caso queda intacto.
El reemplazo del diafragma, como regla, es una operación no trabajosa.
A lo largo del conducto de
agua se instalan también campanas de aire. Cuando surge el golpe hidráulico, el
aire en estas se comprime amortiguando así el golpe.
Hay casos de utilización de
la fuerza destructiva del golpe hidráulico en ciertos dispositivos, como
ejemplo podemos citar el Ariete Hidráulico en el que se aprovecha toda la
energía que produce el golpe de ariete.
INTRODUCCIÓN:
principios del ariete.
El funcionamiento de este
aparato se basa en la fuerza hidráulica del agua y la fuerte presión que
ocasiona al cerrarse repentinamente la válvula que genera su acción. El
principio de funcionamiento es como sigue. El líquido, normalmente agua,
procedente de un depósito suministrador A se acelera por un tubo de carga
inclinado B con lo que su energía potencial se convierte en energía cinética.
Cuando la velocidad llega a un valor determinado, la válvula de descarga C
súbitamente cierra cortando el flujo lo cual genera una sobrepresión en el
extremo inferior del tubo de carga, un golpe de ariete, que fuerza el agua a
abrir la válvula anti-retorno D y a subir por el tubo de descarga F hacia el
nivel superior del depósito G. La válvula de descarga C se vuelva a abrir
debido a la bajada de presión del flujo de agua y el ciclo comienza de nuevo,
cerrándose cada vez que el flujo adquiere cierto valor. En E se coloca una campana
o calderín lleno de un gas a presión, normalmente aire, que amortigua los
golpes de ariete y mantiene un flujo más constante de fluido por el tubo F.
Este gas se acaba disolviendo en el agua por lo que es necesario reponerlo o
envolverlo en un globo de goma para evitar que se disuelva. Algunas bombas van
provistas de un sistema que inyecta una burbuja de aire con cada ciclo.
PROBLEMA:
Subir agua con la ayuda de la misma agua, sin
la ayuda de cualquier factor externo, es decir, de la ayuda de un factor
externo ajeno al agua.
OBJETIVO
DE LA INVESTIGACIÓN:
Que el alumno encuentre la
forma más eficiente de subir agua al construir una bomba hidráulica sin
necesidad de energía eléctrica.
RESUMEN:
El agua tiene que subir sin
la necesidad de un factor externo, como electricidad o un motor que bombee el
agua. Es por eso que para la solución del problema se construyó un ariete
hidráulico. Es por eso que nos basaremos en el siguiente esquema:
El agua entra por la llave
uno (flecha amarilla) que se surte de una manguera y viaja a través de la tubería pasando por el
codo de la tubería hasta la válvula, que con el flujo del agua y la presión que
ejerce cierra la válvula dos y crea un choque que hace una alta presión en la
válvula uno y la abre para que llegue hasta el tanque; después se crea una
presión negativa y hace que la válvula uno se cierre y que la válvula dos se
abra y se repita el procedimiento mencionado. El tanque se seguirá llenando de
agua hasta que la presión contenida sea igual a la presión en la manguera de la
llave número dos. Entre más amplia la manguera de la llave dos es mayor lo que puede contener el tanque.
HIPÓTESIS:
Se cree que al armar el
ariete el agua que entra por la válvula 1va a comenzar a ocupar el espacio de
la tubería, por consiguiente va a buscar una pronta salida, esto nos indica que
va a subir pasando por la válvula check y esta le impedirá el paso de regreso,
por lo que lanzara el agua por la válvula 2 a una presión grande.
DESARROLLO:
Abordando un poco el tema, e
investigando qué se podía realizar para llevar a cabo la solución a nuestro
problema, nos encontramos con la elaboración de una bomba de ariete.
Investigamos qué materiales se necesitaban y nos encontramos con que la mayoría
de los materiales, son materiales que se tienen en casa, son materiales muy
accesibles y fáciles de conseguir.
-Metodología:
> Iniciamos armando la
caja de válvulas, los niples de PVC se pegaron a la “T” de PVC para fijarlos,
ensamblamos un codo de PVC a este conector (niple) ; del otro extremo de la T
de PVC se colocó nuevamente un niple y se conectó con la válvula de 1”
>En la salida central de
la T de PVC se le colocó la válvula check de paso y en el extremo del codo se
colocó la válvula check de fondo y con esto quedó armada la caja de válvulas.
>Procedimos a instalar la
válvula de descarga.
> Se instaló el
acumulador (Botella de 2L).
RESULTADOS:
>Ya se tienen los materiales
listos para la instalación del ariete. El tanque se instaló a 1 metro de altura
simulara ser la fuente de agua, para esto se ha controlado el ingreso de fluido
de manera constante y evitar el incremento y disminución de los niveles requeridos
(a 1.50 m de carga de agua con respecto del ariete).
> Se
instaló la tubería de descarga que en este caso es una manguera de ½” de
diámetro interior, este se ha ajustado a la válvula de descarga con la ayuda de
una abrazadera de ½ “
Se ha instaló también la
tubería de alimentación PVC 1” entre el tanque y la válvula de alimentación de
1”
> Se
ha puesto en funcionamiento el ariete y se observaron los ciclos de derrame de
fluido y descarga de fluido.
Se observó la válvula de
derrame en funcionamiento y la válvula de aire expulsando fluido a presión.
ANÁLISIS
DE RESULTADOS:
Una vez que vimos cómo el
agua tomó tanta presión dentro del sistema podemos concluir que el agua gana
presión por ser un sistema cerrado y porque el agua una vez que entra solo
tiene una salida, al disminuir su velocidad y variar su volumen, genera este
golpe de ariete que hace que el agua salga con esa presión.
CONCLUSIONES:
Realizando el experimento
hemos aprendido muchas cosas, la más importante es acerca del golpe de ariete,
el como la presión fue cambiando hasta llegar a una presión alta y ver como el
proceso sí resulto fue lo mejor que podemos llevarnos de esta actividad.
En cuanto al ariete hay
muchas ventajas con esto ya que se ahorra energía y es una fuente sustentable
para proveer agua. Es muy útil en la agricultura, y en las casas podría ser
otra buena fuente. El conocer acerca de este aparato es indispensable para
todos.
REFERENCIAS:
Bustamante Ojeda Augusto y
Quezada Chuncho Manuel Eduardo ESTUDIO DE
LOS PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE ARIETE HIDRÁULICO MULTIMPULSOR A&M
1.0 [en línea]: documenting electronic sources on the Internet. 2009 [fecha
de consulta: 11 de marzo de 2014]. Disponible en: < http://www.enersurep.gob.ec/docs/Ariete%20hidraulico%20de%20Alta%20Eficiencia.pdf
Vargas Rodríguez Javier Bomba de Ariete hidráulico [en línea]:
documenting electronic sources on the Internet. 2007 [fecha de consulta: 08 de
marzo de 2014]. Disponible en: < http://www.intikallpa.org/wp-content/uploads/2010/08/jvariete.pdf
es la presión hidrostática (en pascales);
es la densidad del líquido (en kilogramos partido metro cúbico);
es la aceleración de la gravedad (en metros partido segundo al cuadrado);
es la altura del fluido (en metros). Un líquido en equilibrio ejerce fuerzas perpendiculares sobre cualquier superficie sumergida en su interior
es la Presión atmosférica (en pascales)
